直流電機優(yōu)化控制系統(tǒng)設計(四)

3.6 轉速及電流檢測

3.5.1 光電編碼器測速原理

本文使用的電機軸上自帶了增量式光電編碼器HEDS5500-100，當碼盤轉動時，它的輸出信號是相位差為90°的A相和B相脈沖號。從A，B兩個輸出信號的相位關系(超前或滯后)可判斷旋轉的方向。波形原理圖如圖3-10所示。

圖3-10 光電編碼器順時針旋轉時的輸出波形

順時針旋轉時，A相超前B相90°。逆時針旋轉時，B相超前A相90°。根據(jù)兩相相位關系即可判斷出電機的旋轉方向。查閱該光電編碼應用手冊可知道，光電編碼器軸旋轉一周時，各相均輸出100個脈沖，根據(jù)該特點，可在一定時間內(nèi)對編碼器輸出脈沖進行計數(shù)，經(jīng)計算便可得到轉速。光電編碼器與ATmega16的接口如圖3-11所示。

轉向鑒別電路由D觸發(fā)器74LS74構成，當A超前B時，D觸發(fā)器輸出為高電平;當A滯后B時，D觸發(fā)器輸出低電平。根據(jù)D觸發(fā)器Q端的電平高低，即可判斷電機正轉和反轉。將A和B相中的一相脈沖(圖中為B相脈沖)送到ATmega16的T0定時/計數(shù)引腳進行計數(shù)，采用定時器T2進行定時，從而計算出電機轉速。

圖3-11 轉向鑒別及轉速檢測電路

3.5.2 電流檢測

在H橋回路中串入采樣電阻，電流流過該電阻時產(chǎn)生壓降，通過檢測該電壓，即可計算出電機中的電流。若該電阻取得過大，則會影響H橋下臂的驅(qū)動電壓，取得過小，不利于提高檢測精度。這里我們?nèi)?.1Ω，當電機工作在額定狀態(tài)時，電流約為5A，此時，壓降為0.5V，再將該電壓放大5倍后，送入ATmega16的A/D轉換通道0。電流檢測電路如圖3-12所示。Vout接ATmega16的PA0腳即ADC0進行A/D轉換。電阻的功耗為：PR耗=I2R=52×0.1=2.5W。

選擇0.1Ω，5W的電阻即可滿足要求。R19與C20構成濾波電路。電機啟動時電流很大，此時運放輸入電壓也較大，為保護運放不受損壞，加入二極管D5與D6，對輸入電壓進行限幅。A/D檢測電壓V測與實際電流I關系為：V測=I×0.1×5(V)=0.5I(V)。

3.7 按鍵、顯示與通訊模塊

按鍵主要用來接收外部的命令和判斷門的位置。當有人經(jīng)過客車門時，按下“開門鍵”。當單片機檢測到有開門鍵按下時，將設定PWM波形占空比大于0.5，電機正轉，此時門開。當門開到極限位置時，安裝在門兩端的限位開關1閉合，單片機檢測到該信息后，禁止PWM輸出，電機停轉。當人經(jīng)過后，按下關門鍵，此時單片機將占空比設定為小于0.5，電機反轉，此時門開始關閉。在關門過程中，若遇到障礙物，則電機反轉，門打開。若未遇到障礙物，當門完全關閉時，限位開關2閉合，單片要檢測到該信息后，也禁止PWM輸出，電機停止，表明門已關閉。

液晶LCD1602主要用來實時顯示電機的轉速和電流。

ATmega16和PC機通訊采用RS-232接口，將電機運行過程中的各類參數(shù)如轉速、電流等發(fā)送到上位機，以便于分析電機的運行狀態(tài)。單片機TTL電平，而串行通訊采用RS-232電平，兩者電平不一致，需經(jīng)過電平轉換，由MAX232完成。電路如圖3-13所示。

圖 3-13 按鍵、顯示與通訊電路

4 系統(tǒng)軟件設計

以上主要介紹了系統(tǒng)的硬件組成與設計，軟件部分由別外一名同學完成，下面只對部分進行簡單說明。

4.1 AVR單片機開發(fā)環(huán)境簡介

常用的AVR開發(fā)軟件主要有：AVR Studio、GCCAVR(WinAVR)、ICC AVR、IAR AVR及CodeVision AVR等。由于ICC AVR集成了C編譯器，增加了軟件模塊，編譯環(huán)境簡潔，生成的代碼結構緊湊、效率高，支持并口下載。缺點是不支持仿真調(diào)試。這里我們選擇ICC AVR作為軟件編寫和編譯環(huán)境。

4.2 數(shù)據(jù)處理

4.2.1 轉速計算

由光電編碼盤型號HEDS5500-100，可知電機軸旋轉一周時輸出脈沖數(shù)為100。若電機轉速為n(r/min),則光電編碼器輸出脈沖頻率fop為：

(4-1)

電機額定轉速為3350r/min，此時光電編碼器輸出最高頻率為: 5583Hz，實際電壓為30V時，隨著轉速的上升，輸出頻率應該還要高出25%左右。

光電編碼盤的B相輸出送入ATmega16的T0進行計數(shù)，而利用T2作定時器，產(chǎn)生20ms的定時時間。由于T0、T2均為8位。則T0所能測得最高頻率為。

(4-2)

覆蓋了最高頻率，因此定時器定時20ms時能測到最高轉速。

最小頻率(頻率分辨率)為

(4-3)

從而得到最小轉速分辨率為0.5r/s。[!--empirenews.page--]

4.2.2 轉速電流曲線的顯示

LCD1602實時顯示的轉速、電流的同時，ATmega16還將轉速和電流數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC機，利用PC機強大的數(shù)據(jù)處理和繪圖功能，顯示轉速和電流的曲線。ATmega16設置波特率為9600bps，在PC端利用串口調(diào)試助手接收數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)在Matlab進行處理和曲線繪制。

4.3 軟件流程

軟件是本系統(tǒng)的核心部分。主要完成以下功能：處理按鍵信息、通過改變PWM占空比控制電機正反轉、執(zhí)行PID算法以實現(xiàn)穩(wěn)速功能、實時檢測電機轉速和電流、串口通訊。在此不作詳細說明。

5 系統(tǒng)測試與結果分析

5.1 系統(tǒng)測試

驅(qū)動電源穩(wěn)壓功能測試。將輸入電壓調(diào)到18V時，調(diào)節(jié)反饋電壓的反饋系數(shù)(改變反饋分壓電阻)，使SG3525輸出占空比剛好達到最大。此時當輸入電壓升高時，由于處于閉環(huán)狀態(tài)，SG3525輸出占空比將減小以維持輸出電壓恒定。

死區(qū)時間調(diào)整。調(diào)節(jié)RC充電回路中的電阻R值，從示波器上觀察延時，使死區(qū)時間為500ns。如圖5-1所示。

圖5-1 死區(qū)時間

雙極性PWM輸出測試。通過程序設置占空比，從示波器上觀察輸出占空比的變化范圍。實際測試時采用的方法是，在單片機中建一個頻率為50Hz的9位的正弦波表，每次PWM溢出中斷時，將波形表中的數(shù)據(jù)依次送出改變占空比，此時輸出雙極性的SPWM波，經(jīng)電感電容組成的л形濾波器濾波后就得到正弦波。實際效果如圖5-2、5-3所示。

圖5-2 雙極性SPWM波

圖5-3 經(jīng)л形濾波后的波形

表明PWM波形占空比范圍可以達到0-100%。

經(jīng)以上調(diào)試后。接入電機進行測試，未加PID時，電機轉速隨電壓變化而變化。加入PID調(diào)節(jié)后，電壓在18-30V變化時，轉速能穩(wěn)定在設定值。輸入電壓24V，設定轉速為20r/s時，調(diào)速曲線如圖5-4所示。

圖5-4 調(diào)速曲線

功能測試。按下“OPEN”鍵時，電機正轉;按下“XW1”，電機停止;按下“CLOSE”鍵，電機反轉，按下“XW2”，電機停止;按下“CLOSE”鍵，在電機反轉過程中，借助外力讓電機減速，電機稍作停頓后反轉(防夾)。測試表明系統(tǒng)實現(xiàn)了所要求的功能。

5.2 結果分析

由SPWM波形及其濾波后的結果可以看出，雙極性PWM波形完全符合要求，且波形占空比從0-100%可調(diào)，精度9位，頻率15.6KHz。

從調(diào)速曲線上可以看出，電機轉速超調(diào)比較嚴重，可能與以下因素有關：

PID參數(shù)設置不合理。PID的參數(shù)的整定較繁瑣，當參數(shù)設定不合理時，可導致電機振蕩，超調(diào)過大等問題。

光電編碼器受到干擾，影響了轉速檢測精度。由自動控制原理知識可知，反饋環(huán)路的精度決定環(huán)路輸出精度。經(jīng)過多次實際測試，即便設定同一參數(shù)，幾次測試的結果也不完全一樣，總的來講超調(diào)都比較嚴重，具體表現(xiàn)是在超調(diào)時出現(xiàn)很窄的尖脈沖，多次改變PID參數(shù)也不能完全改善。后來用示波器在編碼器的輸出端觀察到，電機在啟動瞬間光電編碼器的輸出端偶爾會出現(xiàn)較強的干擾，足以影響到轉速的準確檢測，因而給反饋系統(tǒng)帶來異常。